Arte de la guerra

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1. Transferencia de calor en fluidos no newtonianos

1.1Introducción

La mayoría de los estudios de transferencia de calor en fluidos se han llevado a cabo con fluidos newtonianos. Sin embargo, en las industrias químicas, biológica y de procesamiento de alimentos, se manejan bastantes fluidos no newtonianos. Para diseñar equipos para estos fluidos, es necesario conocer las constantes delas propiedades del flujo (constantes reológicas) o, bien, medirlas experimentalmente. Puesto que muchos fluidos no newtonianos tienen viscosidad efectiva alta, casi siempre producen flujos laminares. Además, y debido a que la mayor parte de los fluidos no newtonianos son seudoplásticos, pueden representarse mediante la ley exponencial.

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1.2 Transferencia de calor en el interiorde tubos.

Flujo laminar en tubos.

Gran parte de las investigaciones experimentales se han concentrado en el estudio de transferencia de calor en fluidos no newtonianos con flujo laminar a través de tubos cilíndricos. Las propiedades físicas que se necesitan para determinar los coeficientes de transferencia de calor son la densidad, la capacidad calorífica, la conductividad térmica y lasconstantes reológicas K’ y n’ o K y n.

La transferencia de calor en un fluido con flujo laminar, sigue principalmente un mecanismo de conducción. No obstante, cuando la velocidad de flujo y la viscosidad son bajas, pueden existir efectos de convección natural. Puesto que muchos fluidos no newtonianos son bastante “viscosos”, los efectos de la convección natural se reducen de manera notable. Para elflujo laminar de fluidos que siguen la ley exponencial en el interior de tubos circulares, puede usarse la ecuación de Metzner y Gluck (M2) cuando se trata de fluidos altamente “viscosos”, no newtonianos y una convección natural despreciable, en tubos horizontales o verticales con un número de Graetz N& > 20 y n’ > 0.10.

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Se ha determinado que el valor de la constantereológica IZ’ (o n) no varía de manera apreciable en un amplio intervalo de temperaturas (S3). Sin embargo, la constante reológica K’ (o K> sí lo hace. Una gráfica de log K’ en función de l/TabS (Cl) o T “C (S3) casi siempre es una línea recta. Puesto que la relaciówn &,/K, se eleva a una potencia de 0.14, este factor puede despreciarse algunas veces sin causar errores considerables.

[pic]donde Tw, es la temperatura promedio de las paredes de todo el tubo, Tbi es la temperatura del volumen de entrada y Tb0 la temperatura del volumen de salida. El flujo específico de calor q es:

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3. Convección natural

Activos (Al, S3) ofrece ecuaciones para transferencia de calor por convección natural hacia fluidos que siguen la ley exponencial desde diversas geometríassuperficiales, tales como esferas, cilindros y placas.

2. Casos especiales de coeficientes de transferencia de calor

2.1. Introducción

Muchos procesos químicos y biológicos requieren frecuentemente del uso de recipientes agitados. Los líquidos suelen agitarse en recipientes cilíndricos con un propulsor montado en un eje e impulsado por un motor eléctrico. En la figura 1 y 2 se muestrandiversos modelos de agitadores y recipientes. Con mucha frecuencia es necesario enfriar o calentar el contenido del recipiente durante la agitación. Esto suele hacerse con superficies de transferencia de calor, que pueden tener forma de chaquetas de enfriamiento o de calentamiento en las paredes, o serpentines de tubería sumergidos en el líquido.

Fig. 1
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Fig. 2

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[pic]2.1. Recipientes con chaqueta de calentamiento.

En la figura 3 se muestra un recipiente con chaqueta de calentamiento o enfriamiento. Cuando se trata de un calentamiento, p)uede emplearse vapor de agua, que se condensa en el interior de la chaqueta y sale por el fondo. El recipiente estáequipado con un agitador y, en algunos casos, también con deflectores (que no se muestran). Las correlaciones...
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